电磁式操纵负荷系统的设计与实现

摘要：提出了一种新型的飞行模拟器操纵负荷仿真系统。依据电磁学的有关知识研制了电磁作动筒，并将电磁作动筒作为飞行模拟器操纵负荷仿真系统的力伺服系统，构成了电磁式力伺服加栽方式的飞机纵向操纵负荷仿真系统。试验验证结果和实际应用表明，该系统具有仿真精度高、快速性好等特点，负载力模型和参数易于修改，可适应不同仿真对象和不同工作模式下负载力特性变化的要求，能广泛地应用于飞行模拟器的操纵力负荷仿真系统中。该方法还可用于飞机横向操纵负载力及脚蹬力的仿真。
关键词：操纵负荷系统；模型负栽力；电磁作动筒；飞行模拟器

0 引言
飞行模拟器操纵负荷系统是向飞行员提供操纵力的操纵负荷仿真系统，用于仿真飞机纵向驾驶杆力、横向驾驶杆力和脚蹬力。目前，国内外大型的飞行模拟器操纵负荷仿真系统都采用力伺服系统加载的仿真方法，力伺服系统加载既可以采用液压式，又可以采用电动式。液压力伺服系统虽然功率大、快速性好、精度高，但系统复杂、成本高、维护工作量大；电动式力伺服系统主要使用力矩电机产生负载力，具有成本低、易于维护、使用方便等优点，已经成为一种操纵负荷仿真系统的发展趋势。
本文以某型教练机为例，提出了一种新型的电磁式力伺服加载的飞行模拟器操纵负荷仿真系统。依据负载力的数学模型，利用电磁式力伺服系统加载技术，实现了飞机操纵负荷系统纵向驾驶杆力的仿真。

1 负载力数学模型
电磁式操纵负荷系统是人在回路仿真系统中的负载模拟装置，要完成对飞行员十分敏感的驾驶杆力、脚蹬力的仿真。正确建立飞行中飞行员握点处负载力的模型是十分关键的。以飞行员直接操纵舵面为例，纵向负载力不仅与杆的位移有关，而且还与杆的运动状态及飞机的运动状态有关，飞行员感受到的负载力主要由气动力、惯性力、库仑摩擦力、粘性摩擦力、弹簧力等组成，其中气动力是飞行员在握点处感受到的主要载荷力。总负载力可表示为：

图1为某型教练机的杆力位移曲线。

操纵负荷系统计算机要能实时地计算出操纵驾驶杆时的模型负载力，给操纵者提供逼真的力感觉，使飞行员在飞行模拟器驾驶杆握点处能感受到像在真正驾驶某型教练机时所具有的力感，即杆力随位移的变化规律应与图1所示某型教练机杆力杆位移曲线一致，从而训练飞行员能根据力感大小，判断飞机的操纵性、稳定性，并能正确把握操纵量的大小范围。